А. Черномырдин - Семь шагов в электронику

На каждом утюге есть маленькая вертящаяся ручка — терморегулятор. Устроен этот терморегулятор самым примитивным образом — маленькая пружинящая металлическая пластинка, изгибающаяся от нагрева, и винт, с той или иной силой прижимающий ее к контакту. При включении утюга он начинает разогреваться, вместе с ним разогревается и металлическая пластинка, а, разогреваясь, она при этом изгибается, и в какой-то момент изогнется настолько, что разрывает контакт.

Утюг начинает остывать, а вместе с ним — и металлическая пластинка, а остывая, она выпрямляется, и в какой-то момент выпрямится настолько, что снова замкнет контакт. Так и работает утюг — то нагреваясь, то остывая, но при этом его температура колеблется в районе некоторого среднего значения, потому что массивный утюг не может нагреться или остыть мгновенно.

Если прикрутить, или, наоборот, ослабить винт терморегулятора, пластинка будет разрывать контакт либо при более высокой, либо при более низкой температуре. Потому что ей нужно (или, наоборот, не нужно) преодолевать дополнительное усилие со стороны винта.

Практически такие же процессы происходят и при работе усилителя класса D, только там роль хозяйки, вращающей ручку терморегулятора, выполняет усиливаемый сигнал.

Рассмотрим функциональную схему усилителя класса D (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Функциональная схема усилителя класса D

Генератор (I)выдает в схему треугольное (либо, как вариант, пилообразное) напряжение. Следуя аналогии с утюгом, это — температура утюга, изменяющаяся во времени. Это напряжение поступает на один вход блока сравнения (II), на второй же вход блока сравнения поступает образцовый сигнал — это «уровень», на который настроен наш терморегулятор.

Если сигнал с первого входа становится больше сигнала на втором входе («утюг перегрелся»), то блок сравнения отключает ключ (III) — это «нагреватель» нашего «утюга». В результате этого среднее значение тока, текущего через динамическую головку (IV), становится пропорционально соотношению времени включенного и отключенного состояния ключа, которое напрямую зависит от величины эталонного сигнала. Роль же тепловой инерции утюга выполняет в данном случае масса диффузора головки .

Эта масса очень мала, но если генератор вырабатывает частоту в десятки и даже сотни килогерц (как оно обычно и бывает), даже этой небольшой массы становится вполне достаточно, чтобы сгладить колебания диффузора.

Осталась самая малость — вместо образцового сигнала подать на вход блока сравнения звуковой сигнал — и усилитель зазвучал!

Примечание.

Хочется обратить внимание читателя на то, что сигнал на выходе усилителя класса D совершенно не похож на входной. Это не причудливо изгибающаяся кривая, как это имеет место в обычном усилителе, а «чистый» прямоугольный сигнал с постоянной частотой, равной частоте работы генератора пилообразного напряжения, и все время изменяющимся в такт со звуком соотношением длительности «включенного^ и «выключенного» состояний.

Говорить о коэффициенте нелинейных искажений непосредственно для самого выходного сигнала здесь просто бессмысленно (формально ведь сигнал искажен настолько, что вообще не похож на входной). Поэтому этот термин в усилителях класса D применяют к среднему значению выходного сигнала, либо просто судят о нем «на слух».

Прежде чем начать изготовление усилителя класса D, следует сказать о его обязательной компоненте — выходном фильтре. Он должен:

♦ пропускать на выход усилителя «низкочастотную» составляющую сигнала;

♦ задерживать частоту работы генератора треугольного сигала (или «пилы») и всех ее гармоник.

Делать это нужно по двум причинам — во-первых, чтобы усилитель не излучал помехи в эфир, и, во-вторых, чтобы не разогревать магнитную систему динамических головок (напомним читателю — в промышленности токи высокой частоты используются для плавки и закалки металла).

Схема такого фильтра приведена на рис. 4.2, и именно ее нужно изготовить в первую очередь.

Рис. 4.2. Принципиальная схема выходного фильтра

Элементная база.Дроссель фильтра наматывается на ферритовом кольце М1000НМ К40х25х12 и содержит 2х160 витков провода МТГФ-0,12, расход провода — 2x7 м.

Намотку дросселя следует вести в два провода:

♦ начала обмоток подключаются в схему усилителя;

♦ концы обмоток подключаются к акустической системе.

Внимание.

Подключать к усилителю класса D акустические системы без этого фильтра крайне нежелательно.

И еще одно предостережение — если в усилитель класса D все-таки потребуется установить небольшие радиаторы, транзисторы на них обязательно устанавливайте через изолирующую прокладку: электрически соединенный с корпусом транзистора радиатор излучает в эфир до 10–15 % выходной мощности усилителя, а вы же все-таки не передатчик делаете!

Итак, первая схема нашего усилителя будет собрана… на микросхемах.

Принципиальная схема. Резонный вопрос — «почему не на транзисторах», и традиционный ответ на него — очень плохая повторяемость транзисторных вариантов усилителей класса D. Схема усилителя класса D на микросхемах приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Принципиальная схема усилителя класса Dна микросхемах

Генератор пилообразного напряжения собран на микросхеме таймера DA1. Для обеспечения линейности «пилы» здесь использован генератор тока, собранный на полевом транзисторе VT1.

Пилообразное напряжение с конденсатора С1 поступает на один вход компаратора DA2. На второй вход компаратора поступает звуковой сигнал. На выходе компаратора образуется готовый прямоугольный сигнал, который теперь нужно просто усилить. Этим занимается выходной каскад на транзисторах VT2—VT4.

Примечание.

Обращаю внимание читателя — в усилителях класса D обратных связей, как правило, не бывает.

Поясню почему:

♦ во-первых, «испортить» сигнал, имеющий всего два значения, — это нужно суметь (!);

♦ во-вторых, в силу абсолютной непохожести выходного сигнала усилителя на входной, требуются довольно серьезные схемно-технические усилия, чтобы выделить из выходного сигнала нужную для обеспечения обратной связи компоненту.